第3章 プロセス装置

2. プロセス用レーザー

9. フェムト秒レーザー

著者:関田 仁志

9.1 はじめに

 ここ数年、フェムト秒レーザーの産業応用に対する期待が急速に高まっている。元来、ピコ秒およびフェムト秒レーザーによる加工は数多く報告され、実験レベルでは、その潜在的加工能力の高さと産業応用への可能性は誰もが認めるものであった。
 フェムト秒レーザーは、瞬間的に高密度のフォトンを照射することによる多光子吸収プロセスによってターゲット材料に吸収されるため、従来のレーザーとは異なる加工が可能となる。従来のナノ秒レーザーでは、不可能または困難であったダイヤモンド、サファイヤ、水晶、ガラス、セラミックなどの高精度加工や改質を可能としている。また、熱変質、熱歪が極端に小さいため、脆弱なシリコンウェハーや磁石材料の加工にも向いている。
 超短パルスレーザーの孵化期には、自己モードロック色素レーザーなどが使用されてきた。色素レーザーの高調波をエキシマレーザーで増幅させることで発生した紫外線の極短パルスレーザーによるダイヤモンド加工研究が90年代前半には既に行われていた。物理学的には興味深い研究であるが、光源の複雑さとそれに起因する不安定さ、装置のサイズ、コストから、産業化までは距離を感じさせる水準であった。超短パルスレーザーの媒質が液体(色素)から固体(チタンイオン添加のサファイヤ結晶)に置き換わり、更にその励起光源がガスレーザーやランプ励起固体レーザーからLD励起全固体レーザーに代わると、サイズ、安定性・信頼性の点で、大きく産業用に近づいた。それでも、毎日、研究者が光軸などを調整しながら使用する理化学研究ツールとしての時代が続いた。90年代に登場した、フェムト秒ファイバーレーザーは安定性・信頼性、サイズ、潜在的なコスト低下の可能性から、パルスエネルギーが小さい点で適応領域は限られるものの、フェムト秒レーザーの産業応用を強く感じさせる技術であった。
 しかし、本格的な産業応用を可能にするためには、更に数年間、周辺技術の成熟を待つ必要があった。90年代は、光通信技術が大きく進化し、半導体レーザー(LD:Laser Diode)の高品位・高出力化、普及、低価格化に大きく貢献した。結果として、この光通信産業の発展は、LD励起全固体レーザーの高信頼化、高安定化、低コスト化を実現し、更に、フェムト秒レーザーの進化にも大きく貢献した。
 近年、フェムト秒レーザーが長寿命・高信頼化されたため、その産業応用の可能性が現実的となった。図1は、10,000時間の寿命試験データで、2002〜2003年に行われたものである匕パワーダウンの主要因であるLD(半導体レーザー)出力の経時変化も更に改善されている。これにより、24時間稼動でも1年以上の無調整連続動作が可能となり、工場での利用の可能性が示された。また、初期導入コストも低下しており、これが、従来の紫外線レーザー程度まで低下すると、急速に普及すると予測される。
 日進月歩の技術であるだけに、ハンドブックの情報としての寿命は短いかもしれないが、できるだけ最新情報を盛り込んだ。

9.2 フェムト秒レーザー光源

 フェムト秒光源の詳細な構造や、国立研究機関が開発している大出力・大型光源、通信用半導体デバイス光源に関する詳細は専門書、学術論文に譲るとして、ここでは、フェムト秒レーザーの加工を目的とするユーザーが、レーザー光源を選択する際の指針となるように、現在市販されている代表的な製品を中心に概説する。

9.2.1 フェムト秒レーザー光源の分類

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